台廠化合物半導體競賽落後 技術處未來扶植重點

作者 : 蔡銘仁,EE Times Taiwan

化合物半導體為近年熱門技術之一,也是推動電動車等前瞻科技發展的重要引擎,但現階段台廠發展卻相對落後。對此,經濟部技術處處長邱求慧也意識到此趨勢,並透露相關技術的推進,將是未來的重點方向之一。

經濟部技術處近年持續透過科技專案等計畫,大力扶植產業技術發展,今年SEMICON Taiwan也偕同工研院等法人單位,帶來33項創新技術。其中化合物半導體相關的技術,包括工研院研發、用於充電樁與車載充電器用碳化矽(SiC)功率半導體模組,以及8吋大面積氮化鎵(GaN)射頻元件技術及平台,都是首次對外亮相。

化合物半導體現在的主要討論,就落在SiC及GaN,兩種材料又被稱為寬能隙半導體;顧名思義,其能隙、工作溫度、頻率及功率密度等特性,皆優於目前的主流半導體材料矽(Si) 。近年因電動車、射頻元件等前瞻技術的演進增速,讓業界越來越積極研發相關產品;不過,台灣擁完整半導體產業聚落,去年產值達新台幣4.1兆元,更排全球第二,但化合物半導體的發展上卻相對落後。

化合物半導體被喻為半導體重要的新賽道,邱求慧談及對半導體產業技術的重點扶植方向,也第一個就提到化合物半導體。他說,因為高頻跟高功率的應用,B5G/6G、電動車或綠能科技等前瞻技術會有新的需求跟應用情境出現,就要用新的材料科技開發下一世代需要的半導體技術,化合物半導體技術將是布局重點,其他兩個重點包括可實現AI功能的晶片,以及先進製程等。

工研院打造充電樁與車載充電器用的SiC功率膜阻。(來源:蔡銘仁攝影)

比如,本次展會工研院在技術處的支持下開發出可用於電動車的SiC功率模組,即為一大亮點技術。其模組以先進的燒結銅接合技術,取代傳統焊錫打線,提升散熱特性;同樣100安培(A)的電流,其展品比國際大廠的功率模組熱阻值改善20%,這也代表整個系統設計的散熱材可以減少,做到更小型化,連帶續航力也有機會進一步提升。

工研院表示,相較打線,用銅橋連接直接鋪一層在晶片上,傳輸路徑較短,銅的導電性也比打線的鋁線好,但面積越大震動會承受比較大的應力,可靠度會是如何符合車規的關鍵,目前是以同步做晶片貼合跟銅橋貼合,簡化流程並提升可靠度,明年會嘗試導入材化所研發的先進封裝材料取代現有日廠材料,目標讓成本再降低。

車用功率元件來看,業界人士認為,從1,200V走向1,700V將是趨勢,這次是透過模組整合提供1,700V的解決方案,目前有做模組的廠商詢問,該廠商主要替國外做SiC功率元件但不做模組的客戶做模組封裝。看到電動車未來趨勢,SiC適合高功率的應用,在馬達驅動被GaN取代的機會應較低,充電則可能兩者並存。

另,8吋大面積氮化鎵GaN射頻元件技術及平台,是工研院跟日本愛沃特(Air Water Inc.)及英國設備商牛津儀器合作的成果。工研院表示,高頻元件過去在Si上開發,只能做到小面積4吋或6吋晶圓,Air Water把SiC磊晶在Si基板上,可以兼顧Si的經濟特色,並兼顧SiC的電性特色,Air Water的3C-SiC/Si異質外延晶圓,是適合GaN生長的基板,未來就可以將8吋兼具高頻跟經濟的方案推到業界。

對於未來促進研究單位和半導體產業界的合作,邱求慧表示,過去經濟部累積投資200億元在半導體技術研發,顯見對半導體技術的重視,希望透過展會讓法人單位有機會多走出實驗室,聆聽產業的需求,也讓產業知道政府在做甚麼事,促進更多市場交流發展,創造更多產研合作機會跟科技突破。

SiC和GaN等化合物半導體 半導體未來黑馬

以功率半導體來說,SiC在車用電子發展帶動下,市場規模到2027年預計來到63億美元(約新台幣1,971億元),2021到2027年的年複合成長率為34%。GaN以消費性電子快充等需求為主,市場規模到2027年,也預計會有20億美元(約新台幣625億元),2021到2027年的年複合成長率更高達59%。對比相對成熟的Si應用,成長爆發力可觀。

然而,由於化合物半導體投資成本高,目前市場規模相對小,台系業者雖有投入,但動作相對保守。環球晶圓董事長暨執行長徐秀蘭指出,目前台廠在全球供應鏈來看,SiC來說台廠在全球供應鏈占比僅7.8%,其餘約九成都由美國、歐洲跟日本廠商掌握;GaN全球供應鏈占比則約6%,美國、歐洲及日本占約六成,中國大陸也在崛起中。

分析箇中原因,除了成本,徐秀蘭也點出晶體生長困難、基板製造難等問題,再來元件材料檢測分析方法,還不像Si那樣成熟;如SiC的前五大廠多為整合元件製造廠 (IDM),他們掌握住知識、經驗跟規格,增添台廠介入的難度;整體而言,跨入門檻確實相當高。

「接下來產業要同步升級,像小朋友過馬路要手牽手,看如何攜手合作,」徐秀蘭認為,台廠在化合物半導體還有很多進步空間,最大的優勢就是群聚,每個領域都有很大的公司進入,如果能將在Si的成功複製到化合物半導體,生態系統同步進步跟升級,成為虛擬的IDM廠,台灣可以做得非常好,攜手向前打國際盃的戰爭。

以環球晶來說,目前在SiC和GaN同步發力,並已在研發氧化鎵等第四代半導體。徐秀蘭表示,第三代半導體最快今年第四季開始貢獻營收,現階段訂單大於供給,主因為設備不足,為此他們也在自行開發8吋晶圓的長晶爐,雖已經落後人家做十幾年,希望後發先至,就算沒辦法先至,至少也把落後距離往前拉。

台灣半導體產業去年在設備上投資新台幣7,000億元,其中6,000億元為採購國外設備,不少半導體關鍵設備,也確實仍掌握在國外業者手中。意識到這樣的問題,今年初總統蔡英文接見社團法人台灣電子設備協會幹部時,喊話未來要推動半導體設備國產化,目標將台灣打造成「亞洲高階製造中心」和「半導體先進製程中心」。

針對化合物半導體,除了環球晶圓,另外漢磊科技、漢民科技等廠商,據傳都有投入研發。徐秀蘭指出,如Wolfspeed是自己掌握長晶爐、內部熱場技術,大陸有些SiC長晶設備亦有自製能力,台灣半導體設備自產本就比較少,要做化合物半導體就更難,「但台灣遲早要自己開發」。

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